(57)【要約】【課題】熱変形が少なく，放熱性に優れる放熱板を備えたセラミック製の電子部品収納用パッケージを提供する。【解決手段】本実施例の電子部品収納用パッケージは、銅層１ａとモリブデン層１ｂが交互に合計で５層以上積層され，最表層が銅層１ａからなるクラッド材によって形成される放熱板１と，この放熱板１の上面に接合される枠体２によって形成されるキャビティ３に半導体素子等の電子部品４を収納し、枠体２の上面に蓋体５を接合してキャビティ３を気密封止するものであり、厚さ０．２ｍｍ以下の複数のモリブデン層１ｂの放熱板１に対する合計の比率が１０〜１４％であり、放熱板１の電子部品４が搭載される側の最表層が厚さ０．２ｍｍ以上の銅層からなることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅層と厚さ０．２ｍｍ以下のモリブデン層が交互に合計で５層以上積層され，前記銅層が最表層を構成するクラッド材からなる放熱板と、
この放熱板の片面に接合されるセラミック製の枠体とを備え、
前記放熱板に対する前記モリブデン層の厚さの比率は合計で１０〜１４％であることを特徴とする電子部品収納用パッケージ。
【請求項２】
前記放熱板の前記枠体が接合される側の最表層は、厚さ０．２ｍｍ以上の銅層からなることを特徴とする請求項１に記載の電子部品収納用パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子等の電子部品を搭載する電子部品収納用パッケージに係り、特に、放熱性に優れるセラミック製の電子部品収納用パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックは耐熱性、耐食性、導電性及び機械的強度に優れるとともに、高周波領域での損失が少ないことから、携帯電話などの無線基地局用の半導体素子を収納するパッケージの枠体等に適している。このパッケージには同時に高い放熱性も要求されるが、セラミックは熱伝導率が小さいため、枠体単独では十分な放熱効果を期待することができない。そこで、通常、セラミック枠体に金属製の放熱板が取り付けられる。
【０００３】
上記構造のパッケージとしては、セラミック製の枠体にタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属のメタライズ膜を介して金属製の放熱板が接合された構造のものが知られている。このようなパッケージは、放熱板に熱伝導率の大きな金属を使用しているため、放熱性に優れている。しかしながら、金属はセラミックに比べて熱伝導率が大きいだけでなく、熱膨張係数も大きい。従って、一般に金属製の放熱板をセラミック製の枠体にろう付けすると、温度変化に伴う放熱板と枠体との膨張差や収縮差によって枠体にクラックが生じる、あるいは放熱板と枠体との接合部で密着性が低下するという現象が発生する。この場合、枠体と放熱板との接合部における熱抵抗が大きくなるため、パッケージの放熱性が低下してしまう。
このような課題に対処するべく、従来、放熱性に優れるとともに、温度変化に伴う反り変形が生じ難い放熱板を備えたパッケージについて盛んに研究や開発がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、「放熱用金属部材およびそれを用いた電子部品用パッケージ」という名称で、パッケージ本体を接合したときの反り量が低減される放熱用金属部材と、動作中の電子部品から発生する熱を外部に良好に拡散できる電子部品用パッケージに関する発明が開示されている。
特許文献１に開示された発明は、銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）系の複合金属材料によって放熱用金属部材を形成し、特に、複合金属材料の熱膨張率を７．５×１０−６以上、８．５×１０−６以下とし、複合金属材料の銅の含有量を７％以上、１３％以下とするものである。
このような放熱用金属部材においては、その上面にセラミックパッケージ本体を接合した場合、放熱用金属部材とセラミックパッケージ本体との間に発生する熱応力が低減され、両者の間の接合強度が向上するとともに、放熱用金属部材の反り量が低減される。
【０００５】
次に、特許文献２には、「高放熱型電子部品収納用パッケージ」という名称で、ヒートシンク板の上面の平坦性を向上させて電子部品の接合信頼性を高めた安価なパッケージに関する発明が開示されている。
特許文献２に開示された発明は、銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）合金板、又は銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）複合板からなる金属板に、第１の銅板がクラッド接合、又はろう付接合で接合されたヒートシンク板において、金属板のセラミック枠体に接合される側に第１の銅板と略同じ厚さからなる第２の銅板が外形周縁を上記セラミック枠体の内周側壁面と近接するようにしてろう付接合されて設けられることを特徴とする。  
このような構造のパッケージにおいては、金属板を中心にして両面に第１の銅板と、第２の銅板が略バランスよく接合されているので、金属板と銅板の熱膨張率の差から発生する反りを略全面にわたってバランスさせることができる。また、電子部品からの発熱をヒートシンク板に速やかに伝え、放熱させることが可能である。  
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１３５７５９号公報
【特許文献２】特開２００７−１１５７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の従来技術である特許文献１に開示された発明は、放熱用金属部材中の銅の含有量が少ないため、放熱用金属部材の熱伝導率が小さくなりすぎてしまい、十分な放熱効果が得られないおそれがある。
【０００８】
また、特許文献２に開示された発明では、ヒートシンク板となる金属板を構成する銅とモリブデンの比率について何ら記述がない。従って、これらの比率が適正な値でない場合には、ヒートシンク板の熱変形の抑止効果や放熱効果が十分に発揮されないおそれがある。
【０００９】
本発明は、このような従来の事情に対処してなされたものであり、熱変形が少なく，放熱性に優れる放熱板を備えたセラミック製の電子部品収納用パッケージを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である電子部品収納用パッケージは、銅層と厚さ０．２ｍｍ以下のモリブデン層が交互に合計で５層以上積層され，銅層が最表層を構成するクラッド材からなる放熱板と、この放熱板の片面に接合されるセラミック製の枠体とを備え、放熱板に対するモリブデン層の厚さの比率は合計で１０〜１４％であることを特徴とするものである。
このような構造の電子部品収納用パッケージにおいては、放熱板の熱伝導率は大きく低下せず、熱膨張係数のみが小さくなるという作用を有する。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の電子部品収納用パッケージにおいて、放熱板の枠体が接合される側の最表層は、厚さ０．２ｍｍ以上の銅層からなることを特徴とするものである。
このような構造の電子部品収納用パッケージにおいては、電子部品が搭載される面の銅層が厚いため、厚さ方向に垂直な方向へ熱を拡散させる作用が高められる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明の請求項１記載の電子部品収納用パッケージにおいては、放熱板の熱変形に起因する枠体のクラックの発生を防止するとともに、パッケージの放熱性を高めることができる。
【００１３】
本発明の請求項２記載の電子部品収納用パッケージにおいては、請求項１記載の発明よりもさらにパッケージの放熱性を高めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態に係る電子部品収納用パッケージの実施例の平面図であり、（ｂ）は同図(ａ)のＸ−Ｘ線矢視断面の拡大図であり、（ｃ）は同図（ｂ）の放熱板の層構造を説明するための図である。
【図２】銅とモリブデンのクラッド材について熱膨張係数とモリブデンの比率との関係を調べた実験結果である。
【図３】銅とモリブデンのクラッド材について熱伝導率とモリブデンの比率との関係を調べた実験結果である。
【図４】銅とモリブデンからなり、モリブデンの比率が異なる複数のクラッド材（５層）を本実施例の電子部品収納用パッケージの放熱板に用いて信頼性試験を行った結果である。
【図５】銅とモリブデンのクラッド材（５層）について熱膨張係数と最表層の銅厚さとの関係を調べた実験結果である。
【図６】銅とモリブデンのクラッド材（５層）について熱伝導率と最表層の銅厚さとの関係を調べた実験結果である。
【図７】銅とモリブデンからなり、最表層の銅厚さが異なる複数のクラッド材（５層）を本実施例の電子部品収納用パッケージの放熱板に用いて放熱板の熱抵抗を測定した結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態に係る電子部品収納用パッケージについて図１乃至図７を用いて説明する。
【実施例】
【００１６】
図１（ａ）は本発明の実施の形態に係る電子部品収納用パッケージの実施例の平面図であり、（ｂ）は同図(ａ)のＸ−Ｘ線矢視断面の拡大図であり、（ｃ）は同図（ｂ）の放熱板の層構造を説明するための図である。なお、図１（ａ）では蓋体の図示を省略しており、図１（ｃ）では図１（ｂ）における放熱板を厚さ方向に拡大して示している。
【００１７】
図１（ａ）乃至（ｃ）に示すように、本実施例の電子部品収納用パッケージは、放熱板１と，この放熱板１の上面に接合される枠体２によって形成されるキャビティ３に半導体素子等の電子部品４を収納し、枠体２の上面に蓋体５を接合してキャビティ３を気密封止する構造となっている。
放熱板１は、銅層１ａとモリブデン層１ｂが交互に積層され，最表層が銅層１ａによって構成される５層のクラッド材からなる。そして、放熱板１に対するモリブデン層１ｂの厚さの比率は合計で１０〜１４％であり、各モリブデン層１ｂの厚さはすべて０．２ｍｍ以下となっている。また、放熱板１の電子部品４が搭載される側の最表層は厚さ０．２ｍｍ以上の銅層によって構成されている。
枠体２は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックからなり、その両面にはタングステンやモリブデン等の導体配線パターンからなるメタライズ膜６が形成されている。そして、Ａｇ−Ｃｕろう等のろう材を用いて放熱板１と外部接続端子７が枠体２の両面にメタライズ膜６を介してそれぞれ接合されている。なお、外部接続端子７は図示しない外部基板上に形成された配線回路パターンに半田等を用いて接合される。
キャビティ３に収納される電子部品４は、Ａｕメッキが被着された放熱板１の上面にＡｕＳｉ等からなるろう材を用いて接合されるとともに、ボンディングワイヤ８によって外部接続端子７と接続されている。そして、外部接続端子７の上面には、樹脂やガラス等の絶縁性接着材９を用いて樹脂又はセラミックあるいは金属等からなる蓋体５が接合されている。また、放熱板１の長手方向の両端部に設けられた取付部１０は、電子部品収納用パッケージを外部基板に取り付けることを目的として、外部基板上に設けられた基台等にネジ止めする際に使用するものである。
【００１８】
次に、本実施例の電子部品収納用パッケージを構成する放熱板１においてモリブデン層１ｂが果たす役割について説明する。
図２は銅とモリブデンのクラッド材について熱膨張係数とモリブデンの比率との関係を調べた実験結果である。横軸はクラッド材全体に対するモリブデンの比率（すなわち、クラッド材全体の厚さに対するモリブデン層の厚さの比率）を表し、縦軸はクラッド材全体の熱膨張係数を表している。記号「▲」及び記号「●」は、クラッド材を４００℃及び８００℃からそれぞれ室温まで自然冷却させた場合の測定データを示している。なお、熱膨張係数の測定は、ＪＩＳＨ７４０４に記載された方法に従ってブルカー社製の熱膨張測定装置を用いて窒素雰囲気中で行った。試料の大きさは２０ｍｍ（長さ）×４ｍｍ（幅）×１．５ｍｍ（厚さ）である。また、銅及びモリブデンの熱膨張係数は、それぞれ２０×１０−６（／℃）及び５×１０−６（／℃）である。
図２では、クラッド材全体に対するモリブデンの比率が大きくなるに従ってクラッド材の熱膨張係数が小さくなっている。すなわち、クラッド材の熱変形を抑えるには、クラッド材全体に対してモリブデン層を相対的に厚くすることが必要である。そして、クラッド材の熱変形をさらに小さくするには、熱膨張係数の大きい銅層を熱膨張係数の小さいモリブデン層で上下からはさむようにしてクラッド材を形成すると良い。なお、半導体素子を収納するパッケージに使用される放熱板の両面は、ろう付けやメッキ処理が施されるのが一般的である。そのため、上記構造のクラッド材を放熱板として用いる場合には、ろう付けやメッキ処理が容易な銅層を最表層とする少なくとも５層以上の構造とすることが望ましい。
【００１９】
図３は銅とモリブデンのクラッド材について熱伝導率とモリブデンの比率との関係を調べた実験結果である。横軸はクラッド材全体に対するモリブデンの比率（すなわち、クラッド材全体の厚さに対するモリブデン層の厚さの比率）を表し、縦軸はクラッド材全体の熱伝導率（Ｗ／ｍ℃）を表している。なお、真空理工社製のレーザーフラッシュ法熱定数測定装置を用いてＪＩＳＨ７８０１に規定される熱拡散率を求めた後、銅とモリブデンの体積割合から比熱と密度の平均値を計算する方法により行った。試料の大きさは１０ｍｍ（直径）×１．５（厚さ）である。また、銅及びモリブデンの熱伝導率は、それぞれ３９０（Ｗ／ｍ℃）及び１４２（Ｗ／ｍ℃）である。
図３に示すように、クラッド材全体に対するモリブデンの比率を大きくすると、クラッド材の熱伝導率は小さくなる。しかし、クラッド材全体に対するモリブデンの比率が１４％を超えると、クラッド材の熱伝導率が３６０Ｗ／ｍ℃を下回ってしまい、放熱板に用いた場合に十分な放熱効果が得られないおそれがある。従って、放熱板に用いるクラッド材では、モリブデン層の厚さを放熱板全体の厚さの１４％以下とすることが望ましい。
【００２０】
図４は銅とモリブデンからなり、モリブデンの比率が異なる複数のクラッド材を本実施例の電子部品収納用パッケージの放熱板に用いて信頼性試験を行った結果である。具体的には、各クラッド材を放熱板として取り付けた電子部品収納用パッケージ（試料数１００個）の温度を−６５℃から１５０℃まで変化させ、枠体２に発生するクラックの有無を目視で確認した。なお、図４において、横軸はクラッド材全体に対するモリブデンの比率（すなわち、クラッド材全体の厚さに対するモリブデン層の厚さの比率）を表し、縦軸は枠体２にクラックが発生したパッケージの割合（％）を表している。
図４に示すように、クラッド材全体に対するモリブデンの比率が１０％より小さい場合には、枠体２にクラックが発生している。これは、枠体２が構造上、板状のセラミックに比べて曲げ等の応力に弱いことが原因と考えられる。
このように、放熱板１の熱変形に伴って枠体２にクラックが発生するおそれがあるため、放熱板１に用いるクラッド材では、本実施例のようにモリブデン層１ｂの厚さを放熱板１の厚さの１０％以上とすることが望ましい。なお、クラッド材を構成するモリブデン層１ｂのそれぞれの厚さが０．２ｍｍを超えると、プレス打ち抜き等によるクラッド材の加工が困難となるため、モリブデン層１ｂの厚さはすべて０．２ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００２１】
図５は銅とモリブデンのクラッド材（５層）について熱膨張係数と最表層の銅厚さとの関係を調べた実験結果である。横軸は最表層の銅厚さ（ｍｍ）を表し、縦軸はクラッド材全体の熱膨張係数を表している。記号「▲」及び記号「●」は、クラッド材を４００℃及び８００℃からそれぞれ室温まで自然冷却させた場合の測定データを示している。なお、熱膨張係数の測定方法及び試料の大きさは図２の場合と同一である。また、クラッド材全体に対するモリブデンの比率は１２％である。
図５より、クラッド材の熱膨張係数は、この測定条件の範囲内では最表層の銅厚さの影響をほとんど受けないことが分かる。
【００２２】
図６は銅とモリブデンのクラッド材（５層）について熱伝導率と最表層の銅厚さとの関係を調べた実験結果である。横軸は最表層の銅厚さ（ｍｍ）を表し、縦軸はクラッド材全体の熱伝導率（Ｗ／ｍ℃）を表している。なお、熱伝導率の測定方法は図３の場合と同じであり、試料は図５の試験と同一のものを使用した。
図６より、クラッド材の熱伝導率は、この測定条件の範囲内では最表層の銅厚さの影響をほとんど受けないことが分かる。
【００２３】
図７は銅とモリブデンからなり、最表層の銅厚さが異なる複数のクラッド材（５層）を本実施例の電子部品収納用パッケージの放熱板に用いて放熱板の熱抵抗を測定した結果である。横軸は最表層の銅厚さ（ｍｍ）を表し、縦軸はクラッド材全体の熱抵抗（℃／Ｗ）を表している。なお、熱抵抗の測定は、ＳＥＭＩ−ＳＴＤ  Ｇ３８−８７とＧ３０−８７に記載された方法に準じて自家製の測定装置を用いて行った。また、クラッド材全体に対するモリブデンの比率は１２％である。
図７に示すように、最表層の銅厚さが０．２ｍｍ以上であれば、クラッド材の熱抵抗が０．５５℃／Ｗより小さくなり、放熱板として十分な放熱効果が期待できる。なお、最表層の銅厚さを０．２ｍｍ以上にすると、図６で説明したようにクラッド材の熱伝導率はほとんど変化しないにもかかわらず、放熱板に使用した場合には上述のように、その熱抵抗が改善される。これは、電子部品４が搭載される面の銅層１ａを厚くすることで、厚さ方向に垂直な方向へ熱を拡散させる作用が高められ、放熱性が向上したことによるものと考えられる。
【００２４】
以上説明したように、本実施例の電子部品収納用パッケージによれば、銅とモリブデンのクラッド材からなる放熱板１において、熱伝導率の低下を抑えつつ、熱膨張係数を小さくすることにより、放熱板１の熱変形に起因する枠体２のクラックの発生を防止するとともに、十分な放熱効果を得ることが可能である。
【００２５】
本実施例では、放熱板１を構成するクラッド材を５層としているが、これに限定されるものではない。すなわち、放熱板１を構成するクラッド材は銅層１ａとモリブデン層１ｂが交互に少なくとも少なくとも５層、積層されていれば良い。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
請求項１及び請求項２に記載された発明は、放熱板を備えたセラミック製の電子部品収納用パッケージに対して適用可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１…放熱板  １ａ…銅層  １ｂ…モリブデン層  ２…枠体  ３…キャビティ  ４…電子部品  ５…蓋体  ６…メタライズ膜  ７…外部接続端子  ８…ボンディングワイヤ  ９…絶縁性接着材  １０…取付部    
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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